научная статья по теме О ПРИРОДЕ БИМОДАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАПЕЛЬ ПО РАЗМЕРАМ ПРИ РАСПЫЛЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ Физика

Текст научной статьи на тему «О ПРИРОДЕ БИМОДАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАПЕЛЬ ПО РАЗМЕРАМ ПРИ РАСПЫЛЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 221-224

= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА

УДК 536.423.18

О ПРИРОДЕ БИМОДАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАПЕЛЬ ПО РАЗМЕРАМ ПРИ РАСПЫЛЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ

© 2015 г. В. Б. Алексеев, В. И. Залкинд, Ю. А. Зейгарник, Д. В. Мариничев, В. Л. Низовский, Л. В. Низовский

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: zeigar@oivtran.ru Поступила в редакцию 07.03.2014 г.

Представлено описание вероятной последовательности процессов, приводящих к бимодальному распределению капель по размерам при распыле перегретой воды. Первая стадия процесса состоит в дроблении истекающей из форсунки жидкости и формировании жидких фрагментов размером 5—15 мкм в результате барокапиллярного эффекта, тогда как вторая — в дроблении части из этих фрагментов под действием быстро расширяющихся паровых пузырей (взрывного вскипания).

DOI: 10.7868/S0040364415020027

Достижение достаточно тонкого распыла жидкости является одной из важнейших задач инженерной практики: двигателестроения (двигатели внутренного сгорания — ДВС), газотурбо- и ракетостроения, технологий нанесения покрытий разного назначения, фармацевтики и ряда других. При этом важны как средний размер капель, так и дисперсионное распределение капель по размерам и геометрические характеристики факелов распыла при наличии и отсутствии сносящего потока. Для дизельных двигателей и ДВС с зажиганием, как и для камер сгорания газотурбинных установок (ГТУ) на жидком топливе, вследствие высоких рабочих температур достаточным для эффективного испарения капель является распыл жидкости (топлива) до 15—25 мкм. При впрыске воды в компрессоры ГТУ из-за существенно более низких температур рабочего тела и, соответственно, интенсивности испарения капель, а также для исключения возможного эрозионного износа лопаточного аппарата необходим более тонкий распыл инжектируемой жидкости, на уровне не более 3—5 мкм.

Среди технологий тонкого распыла жидкости наиболее эффективным является метод взрывного вскипания (flashing) метастабильной (сильно перегретой относительно температуры насыщения) жидкости. В [1, 2] исследованы особенности струйного истечения вскипающей жидкости из сопел различной формы, распад пленочного течения перегретой воды и динамика реакции струи. Близкие им по своей физической природе явления, сопровождающие распад стекающих пленок при сильном перегреве обогреваемой поверхности, распространение высокоскоростных самоподдерживающихся фронтов испарения с

фрактальной структурой переходных форм изучались в [3, 4].

В ОИВТ РАН авторами были выполнены всесторонние экспериментальные и расчетные исследования эволюции характеристик факелов распыла, полученных методом взрывного вскипания [5—8], включая детальную проработку ряда методических вопросов, связанных с корректной диагностикой факелов распыла [9]. Данная технология была также испытана на промышленной ГТУ [5]. Было показано, что при распыле воды, нагретой до 240—250°С, 65% (по массе) капель имеют диаметр менее 3 мкм, а средний диаметр оставшихся 35% капель составляет 7—8 мкм (см. рисунок). Отметим, что снижение температуры распыляемой жидкости до ~210 и 170°С приводит к увеличению доли крупных капель соответственно до 50 и 65%. Для сравнения укажем, что типичный средний диаметр капель, получаемых с помощью механических или пневматических форсунок, составляет 15—20 мкм. Тем самым наряду с достижением существенно более тонкого распыла (капли диаметром 7 мкм имеют примерно на порядок величины меньшую массу, подлежащую испарению, чем капли диаметром 15—25 мкм) при реализации технологии распыла перегретой воды экспериментально было обнаружено существование двух мод размеров капель в их дисперсионном распределении.

Подобная ситуация является результатом наложения (сочетания) двух механизмов распыла жидкости: гидродинамического дробления (распада струи вследствие гидродинамической неустойчивости), являющегося источником капель крупного размера, и тонкого диспергирования жидкости до субмикронных капель под действи-

Объемное содержание, %

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Объемное содержание, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

1 10 Радиус частиц, мкм

1 10 Радиус частиц, мкм

Распределение массовой доли капель по размерам на расстоянии 60 мм от среза сопла форсунки при рв = = 8 МПа и Тв = 20°С (а), 240°С (б) [9].

ем быстро растущих в жидкости паровых пузырей. Подчеркнем, что именно быстрый рост паровых пузырей, а не их возникновение, обеспечивает тонкую фрагментацию жидкости.

Попробуем проанализировать некоторые характерные параметры этих эффектов. При этом важно выявить, какая последовательность событий приводит к "провалу" в дисперсионном распределении капель, появлению двух явно выраженных мод на кривой распределения.

В проведенных экспериментах [6—8] дробление капель начиналось на выходе из форсунок на расстоянии нескольких миллиметров от среза ее сопла. Об этом свидетельствовали данные киносъемок. Об отсутствии активного роста пузырьков (паровой фазы) внутри соплового канала говорила и неизменность расхода воды через сопло при изменении температуры жидкости, т.е. оба механизма распада струи (гидродинамический и взрывного расширения вследствие быстрого роста объема паровой фазы) реализовывались на выходе из сопла, взаимно влияя друг на друга. В этих условиях для того, чтобы оценить вероятную последовательность событий и вклад отдельных процессов (эффектов), нужно знать их характерные времена.

Характерные времена распада струи жидкости под действием гидродинамических эффектов на выходе из центробежной форсунки — десятки микросекунд [10, 11]. Об этом свидетельствует практика создания камер сгорания ракетных и газотурбинных двигателей разного назначения. Это подтверждают и эксперименты авторов по распылу холодной (~20°C) воды центробежной форсункой [6], результаты которых позволяют сделать соответствующие оценки характерных времен диспергирования, опираясь на измерения скорости выхода струи жидкости из сопла (100—150 м/с), и характерных расстояний от среза сопла форсунки до начала факела распыла (0.5—5 мм).

Время распада струи холодной воды при истечении из струйной форсунки существенно больше, больше и средняя длина распада струи [10, 11]. Однако, как показывают эксперименты, в том числе опыты ОИВТ РАН, с ростом перегрева жидкости относительно температуры насыщения различия в факелах распыла центробежной и струйной форсунок постепенно сглаживаются и при перегревах воды 120—140°C практически исчезают.

Причиной этого, по-видимому, является баро-капиллярная неустойчивость (частный случай общей гидродинамической неустойчивости), вызванная испарением с поверхности струи [12, 13] и служащая дополнительным, а при значительных перегревах сильно дестабилизирующим фактором, обусловливающим дробление струи на относительно крупные фрагменты. При этом существенно снижаются как характерное время (оно составляет десятки микроскунд), так и средняя длина распада струи. Уменьшающиеся с ростом температуры поверхностное натяжение и вязкость жидкости ведут к снижению размеров этих "первичных" фрагментов.

По-видимому, в этот момент распыливаемая жидкость представляет собой продолжающие распадаться жидкие фрагменты размером несколько десятков микрометров. Из-за очень большой концентрации жидкой фазы не удалось измерить размер капель в корне факела бесконтактными методами оптической диагностики.

Характерное время образования зародышей паровой фазы (нуклеации) в метастабильной воде, перегретой относительно температуры насыщения на 140°C (T/T^ ~ 0.8), даже с учетом времени запаздывания вскипания заметно меньше одной микросекунды [14, 15]. По-видимому, нук-леация происходит уже в распадающейся под действием гидродинамических эффектов струе жидкости и носит объемный характер с частотой зародышеобразования J = 1010—1012 см-3с-1 [15].

Однако зарождение паровых пузырьков — это только начало процесса взрывного дробления жидкости. Образовавшиеся в результате гидродинамического распада струи жидкости крупные

О ПРИРОДЕ БИМОДАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАПЕЛЬ

223

фрагменты дробятся на мелкие капли под действием быстрого роста (расширения) этих возникших пузырьков. Именно рост паровых пузырьков является определяющим подпроцессом на стадии взрывного тонкого дробления жидкости. От него зависит результирующий эффект, при этом основной вклад вносит инерционная стадия роста пузыря.

Теория инерционной стадии роста пузыря детально разработана для одиночного пузыря, растущего в однородной бесконечной жидкости [14, 16]. В рассматриваемом случае она может быть применена с известными оговорками. Это прежде всего касается плотности среды, перемещаемой расширяющимся пузырем. При атмосферном давлении и интенсивном объемном вскипании эффективная плотность перемещаемой парожидкостной среды существенно ниже плотности чистой жидкости; более того, среда становится сжимаемой. При оценке скорости роста пузыря на инерциаль-ной стадии процесса нужно также учитывать и так называемый "эффект тесноты" [14] — наличие большого числа соседствующих пузырьков, противодействующих их свободному расширению и уменьшающих скорость их роста. Согласно оценкам время инерционного роста пузырьков составляет десятки—сотни мкс и является, по-видимому, самым большим из характеристических времен подпроцессов, складывающихся в совокупный процесс дробления жидкости с участием взрывного вскипания.

Естественно, этот процесс интенсифицируется с увеличением перегрева относительно температуры насыщения. Так, при перегревах 40°С (Т/Ткр < 0.65) степень метастабильности жидкости такова, что дисперсионное распределение капель по размерам в факеле распыла 140-градусной воды при атмосферном давлении весьма слабо отличается от такового для холодной (20°С) воды. Это происходит прежде всего из-за снижения плотности активных центров парообразования, да и интенсивность испарения в мелкие пузыри (порядка критического размера) существенно ниже из-за снижения движущего температурного напора испарения.

Таким образом, по-видимому, взрывное дробление струи перегретой воды, выте

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком